1、电力电子技术实验交大电气工程与自动化实验室201092实验一 单相桥式全控整流电路实验一实验目的1了解单相桥式全控整流电路的工作原理。2研究单相桥式全控整流电路在电阻负载、电阻电感性负载时的工作。3熟悉 MCL05 锯齿波触发电路的工作。二实验线路及原理参见图 1-1。三实验内容1单相桥式全控整流电路供电给电阻负载。2单相桥式全控整流电路供电给电阻电感性负载。四实验设备及仪器1MCL 系列教学实验台主控制屏。2MCL01 组件。3MCL02 组件。4MCL05 组件。5MEL03 三相可调电阻器。6MEL02 三相芯式变压器。7双踪示波器8万用表五注意事项1本实验中触发可控硅的脉冲来自 MCL
2、-05 挂箱，故 MCL-01 的内部脉冲需断 X1插座相连的扁平带需拆除，以免造成误触发。2电阻 RP 的调节需注意。若电阻过小，会出现电流过大造成过流保护动作（熔断3丝烧断，或仪表告警）；若电阻过大，则可能流过可控硅的电流小于其维持电流，造成可控硅时断时续。3电感的值可根据需要选择，需防止过大的电感造成可控硅不能导通。4MCL-05 面板的锯齿波触发脉冲需导线连到 MCL-01 面板，应注意连线不可接错，否则易造成损坏可控硅。同时，需要注意同步电压的相位，若出现可控硅移相范围太小（正常范围约 30180），可尝试改变同步电压极性。5逆变变压器采用 MEL-02 三相芯式变压器，原边为 22
3、0V，中压绕组为 110V，低压绕组不用。6示波器的两根地线由于同外壳相连，必须注意需接等电位，否则易造成短路事故。六实验方法1将 MCL05 面板左上角的同步电压输入接 MCL01 的 U、V 输出端， “触发电路选择”拨向“锯齿波”。2断开 MEL-02 和 MCL-02 的连接线，合上主电路电源，调节主控制屏输出电压Uuv 至 220V，此时锯齿波触发电路应处于工作状态。MCL-01 的给定电位器 RP1 逆时针调到底，使 Uct=0。调节偏移电压电位器 RP2，使=150。断开主电源，连接 MEL-02 和 MCL-02。3单相桥式全控整流电路供电给电阻负载。按图 1-1 接线，将电感
4、 L 短接、 RP 调至最大(450 )。合上主电路电源，调节 Uct，求取在不同角（30、60 、90）时整流电路的输出电压 Ud=f（ t） ，晶闸管的端电压 UVT=f（ t） 的波形，并记录相应 时的 Ud 和交流输入电压 U2 值。 30 60 90U2Ud若输出电压的波形不对称，可分别调整锯齿波触发电路中 RP1，RP3 电位器。4单相桥式全控整流电路供电给电阻电感性负载。将电感 L 短接线断开、RP 调至最大(450)。调节 Uct，求取在不同 角（30、60、90）时整流电路的输出电压 Ud=f（ t） ，负载电流 id=f（ t） 以及晶闸管端电压UVT=f（ t） 波形并记
5、录相应 时的 Ud、U 2 值。 30 60 90U2Ud4注意，负载电流不能过小，否则造成可控硅时断时续，可调节负载电阻 RP，但负载电流不能超过 0.8A，U ct 从零起调。改变电感值（L=100mH），观察 =90，U d=f（ t）、 id=f（ t） 的波形，并加以分析。注意，增加 Uct 使前移时，若电流太大，可增加与 L 相串联的电阻加以限流。七实验报告1绘出单相桥式晶闸管全控整流电路供电给电阻负载情况下,当=30,60，90时的 Ud、U VT 波形，并加以分析。2绘出单相桥式晶闸管全控整流电路供电给电阻电感性负载情况下，当=30,60，90时的 Ud、i d、U VT 波形
6、，并加以分析。3作出实验整流电路的移相特性 Ud=f（ ） ，输入输出特性 Ud/U2=f（ ） 曲线。4实验心得体会。附录：锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成，其原理图如图 1-14 所示。由 VD1,VD2,C1,R1 等元件组成同步检测环节，其作用是利用同步电压来控制锯齿波产生的时刻和宽度。由 VST1,V1,R3 等元件组成的恒流源电路及 V2,V3,C2 等组成锯齿波形成环节。控制电压 Uct,偏移电压 Ub 及锯齿波电压在 V4 基极综合叠加，从而构成移相控制环节。V5,V6 构成脉冲形成放大环节，脉冲变压器输
7、出触发脉冲。元件 RP 装在面板上 ，同步变压器副边已在内部接好。1 2 3 4ABCD4321DCBA TitleNumber RevisionSizeA4Date: 7-Oct-2002 Sheet of File: D:USERMCLmcl05mcl05.Ddb Drawn By:-15R110KC11uFVD11N4001 VD21N4001 V23DG6CR247KVST12CW51V13CG23R34.7KRP4.7KR4200C2 474V33DG6CR510KR63.3KR73.3KR86.8KV43DG6CVD31N4001R96.2KC3104R1030KV53DG6CR1
8、16.2KVD41N4001C4104VD51N4001 V63DG6CR1247 C5474VD61N4001TP VD71N4001VD81N4001UbUc1-14 5MEL-02MCL-01MCL-02220V/110V、VT1VT3VT4VT6RPG1G2G3G4K1K2K3K4、Uct220V、MCL-05MCL-01G7UUVVWWL1 L2 L31U1 1U2 2U1 2U21V1 1V2 2V1 2V21W1 1W2 2W1 2W2AVA: 、2AV: 、300VL: 、700mHG1、K1、VT1G2、K2、VT6G3、K3、VT4G4、K4、VT3RP、MEL-03、90
9、0、1-1、AKGL(700mL)6实验二 三相桥式全控整流及有源逆变电路实验一实验目的1熟悉 MCL-01, MCL-02 组件。2熟悉三相桥式全控整流及有源逆变电路的接线及工作原理。3了解集成触发器的调整方法及各点波形。二实验内容1三相桥式全控整流电路2三相桥式有源逆变电路3观察整流或逆变状态下，模拟电路故障现象时的波形。三实验线路及原理实验线路如图 2-1 所示。主电路由三相全控变流电路及作为逆变直流电源的三相不控整流桥组成。触发电路为数字集成电路，可输出经高频调制后的双窄脉冲链。三相桥式整流及有源逆变电路的工作原理可参见“电力电子技术”的有关教材。四实验设备及仪器1MCL 系列教学实验
10、台主控制屏。2MCL01 组件。3MCL02 组件。4MEL-03 可调电阻器。5MEL-02 芯式变压器6二踪示波器7万用表五实验方法71按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。（1）打开 MCL-01 电源开关，给定电压有电压显示。（2）用示波器观察 MCL-01 的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，相互间隔 60o 的幅度相同的双脉冲。（3）检查相序，用示波器观察“1”，“2”单脉冲观察孔，“1” 脉冲超前“2” 脉冲 600，则相序正确，否则，应调整输入电源。（4）用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为 1V2V 的脉冲。注：将面板上的 Ublf（当三相桥式全控变流电路
11、使用 I 组桥晶闸管 VT1VT6 时）接地，将 I 组桥式触发脉冲的六个开关均拨到 “接通”。（5）将给定器输出 Ug 接至 MCL-01 面板的 Uct 端，调节偏移电压 Ub，在 Uct=0时，使=150 o。2三相桥式全控整流电路按图 2-1 接线，S 拨向左边短接线端，将 RP 调至最大(450)。三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压 Uuv、U vw、U wu，从0V 调至 220V。调节 Uct，使在 30o90o 范围内，用示波器观察记录 =30O、60 O 时，整流电压ud=f（ t） ，晶闸管两端电压 uVT=f（ t） 的波形，并记录相应的 Ud 和交
12、流输入电压 U2 数值。整流 逆变 30O 60O 30O 60O 90OU2 U2Ud Ud3三相桥式有源逆变电路断开电源开关后，将 S 拨向右边的不控整流桥，调节 Uct，使仍为 150O 左右。三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压 Uuv、U vw、U wu，从0V 调至 220V 合上电源开关。调节 Uct，观察 =30 O、60 O、90 O 时, 电路中 ud、u VT 的波形，并记录相应的Ud、U 2 数值。4电路模拟故障现象观察。在整流状态时，断开某一晶闸管元件的触发脉冲开关，则该元件无触发脉冲即该支路不能导通，观察并记录此时的 ud 波形。六实验报告1画出
13、电路的移相特性 Ud=f()曲线2作出整流电路的输入输出特性 Ud/U2=f（）83画出三相桥式全控整流电路时，角为 30O、60 O 时的 ud、u VT 波形4画出三相桥式有源逆变电路时， 角为 30O、60 O、90 O 时的 ud、u VT 波形5简单分析模拟故障现象9MEL-02MCL-01MCL-02、VT1VT3VT4VT6RPUUVVWWL1 L2 L31U1 1U2 2U1 2U21V1 1V2 2V1 2V21W1 1W2 2W1 2W2SAVAKGVT5 VT2LRCVD1VD2VD3VD4VD5VD6MCL-01MCL-02MCL-01GUctUblfU V W700m
14、H*A: 、2AV: 、300VL: 、700mHRP、MEL-03、900、2-1、10实验三 直流斩波电路（BuckBoost 变换器）实验一实验目的1掌握 BuckBoost 变换器的工作原理、特点与电路组成。2熟悉 BuckBoost 变换器连续与不连续工作模式的工作波形图。3掌握 BuckBoost 变换器的调试方法。二实验内容1连接实验线路，构成一个实用的 BuckBoost 变换器。2调节占空比，测出电感电流 iL处于连续与不连续临界状态时的占空比 D，并与理论值相比较。3将电感 L 增大一倍，测出 iL处于连续与不连续临界状态时的占空比 D，并与理论值相比较。4测出连续与不连续
15、工作状态时的 Vbe、V ce、V D、V L、i L、i C、i D等波形。5测出直流电压增益 M=VO/VS与占空比 D 的函数关系。6测试输入、输出滤波环节分别对输入电流 iS与输出电流 iO影响。三实验线路及原理见图 31。直流斩波器它是将电压值固定的直流电，转换为电压值可变的直流电源装置，是一种直流对直流的转换器(DC to DC Converter)已被被广泛使用，如直流电机之速度控制、交换式电源供应器等。直流斩波器利用晶闸管和自关断器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断的时间变化来改变负载电压平均值。若其输出电压较输入之电源电压低，则称为降压式(Buck )
16、直流斩波器，若其输出电压较输入之电源电压高，则称为升压式(Boost) 直流斩波器。 输出电压与输入电压之间的关系为：U0=-Ui(D/(1-D)占空比 D=Ton/(Ton+Toff)当 D0.5 时，除极性相反外，输出电压大于输入电压。 当 D0.5 时，除极性相反外，输出电压小于输入电压。四实验设备和仪器1MCL-08 直流斩波及开关电源实验挂箱2万用表3双踪示波器11五实验方法1 检查 PWM 信号发生器与驱动电路工作是否正常连接有关线路，观察信号发生器输出与驱动电路的输出波形是否正常，如有异常现象，则先设法排除故障。2电感 L=1.6mH，电感电流 iL处于连续与不连续临界状态时的占
17、空比 D 测试将“16”与“18”、“21”与“4”、“22”与“5”、“19”与“6”、“1”与“4”、“9”与“12”相连，即按照以下表格连线。161821422519614912合上开关 S1 与 S2、S3、S4，用示波器观察“7”与“13”（即 iL）之间波形，然后调S1Vc14通 断 RP1通 断 78L1R2VT35R2+C13484L32S7通6断41+15VS3L491012S45C2+R53+通断+15V2图5 BUCK-OST电路51263C41867R61920+C52312节 RP1 使 iL处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比 D 与工作周期 T。3L=1
18、.6mH，测出处于连续与不连续临界工作状态时的 Vbe、V ce、V D、i L、i C、i D等波形调节 RP1，使 iL处于连续与不连续临界工作状态，用示波器测出 GTR 基-射极电压 Vbe与集-射极电压 Vce；二极管 VD 阴极与阳极之间电压 VD；电感 L3两端电压 VL；电感电流iL；三极管集电极电流 iC以及二极管电流 iD等波形。4L=1.6mH,测出连续工作状态时的 Vbe、V ce、V D、i L、i C、i D等波形调节 RP1，使 iL处于连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。5L=1.6mH,测出不连续工作状态时的 Vbe、V ce、V D、i L、i C、i D
19、等波形调节 RP1，使 iL处于不连续工作状态，用双踪示波器观察上述波形。6L=3.2mH，i L处于连续与不连续临界状态时的占空比 D 测试将开关 S2 断开，观察 iL波形，调节 RP1，使 iL处于连续与不连续的临界状态，记录这时候的占空比 D 与工作周期 T。7L=3.2mH，测出连续工作状态时的 Vbe、V ce、V D、i L、i C、i D等波形调节 RP1，使 iL处于连续工作状态，测试方法同前。8L=3.2mH，测出不连续工作状态时的 Vbe、V ce、V D、i L、i C、i D等波形9测出 M=VO/VS与占空比 D 的函数关系 V S =15V（1）L=1.6mH，占
20、空比 D 从最小到最大范围内，测试 56 个 D 数据，以及与此对应的输出电压 VO。DVo（V）（2）L=3.2mH，测试方法同上。DVo（V）10输入滤波器功能测试有与没有输入滤波器时，电源电流（即 1514 两端）波形测试。11输出滤波器功能测试有与没有输出滤波器时，输出电流纹波测试。五实验报告1分别在 L=1.6mH 与 3.2mH 条件下,列出 iL连续与不连续临界状态时的占空比 D。2画出不同 L，连续与断续时的 Vbe、V ce、V D、i L、i C、i D等波形。3根据不同的 L 值，按所测的 D，V O值计算出 M 值，列出表格，并画出曲线。连续工作状态时的直流电压增益表达
21、式为 M=D/（1-D），请在同一图上画出该曲线，并在图上注明连续工作与断续工作区间。4试对 Buck-Boost 变换器的优缺点作一评述。5试说明输入、输出滤波器在该变换中起何作用？136实验的收获、体会与改进意见。实验四 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)特性与驱动电路研究一实验目的1熟悉 IGBT 主要参数与开关特性的测试方法。2掌握混合集成驱动电路 EXB840 的工作原理与调试方法。二实验内容1IGBT 主要参数测试。2EXB840 性能测试。3IGBT 开关特性测试。4过流保护性能测试。三实验设备和仪器1MCL-07 电力电子实验箱中的 IGBT 与 PWM 波形发生器部分。2双踪示波
22、器。3毫安表4电压表5电流表6MCL 系列教学实验台主控制屏四实验线路及原理绝缘栅极双极型晶体管是双极型电力晶体管和 MOSFET 的复合。IGBT 是 Insulated Gate Bipolar Transistor 的缩写。电力晶体管饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大。MOSFET 驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT 综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。IGBT 的开关作用是通过加正向栅极电压形成沟道，给 PNP 晶体管提供基极电流，使IGBT 导通。反之，加反向门极电压消除沟道，流过反向基极电流，使 IGBT 关断。IGBT 的驱动方法和 M
23、OSFET 基本相同，只需控制输入极 N 一沟道 MOSFET，所以具有高输入阻抗特性。当 MOSFET 的沟道形成后，从 P+基极注入到 N 一层的空穴（少子），对 N 一层进行电导调制，减小 N 一层的电阻，使 IGBT 在高电压时，也具有低的通态电压。IGBT 的静态特性主要有伏安特性、转移特性和开关特性。IGBT 的伏安特性是指以栅源电压 Ugs 为参变量时，漏极电流与栅极电压之间的关系曲线。输出漏极电流比受栅源电压 Ugs 的控制，Ugs 越高，Id 越大。IGBT 的转移特性是指输出漏极电流 Id 与栅源电压 Ugs 之间的关系曲线。它与 MOSFET的转移特性相同，当栅源电压小于
24、开启电压 Ugs(th)时，IGBT 处于关断状态。在 IGBT 导通14后的大部分漏极电流范围内，Id 与 Ugs 呈线性关系。最高栅源电压受最大漏极电流限制，其最佳值一般取为 15V 左右。IGBT 的开关特性是指漏极电流与漏源电压之间的关系。IGBT 处于导通态时，由于它的PNP 晶体管为宽基区晶体管，所以其 B 值极低。耐压 1000V 的 IGBT 通态压降为23V。IGBT 处于断态时，只有很小的泄漏电流存在。IGBT 的 驱 动 和 保 护 是 应 用 中 的 关 键 技 术 。 目前较多使用 EXB 系列集成模块驱动IGBT。它比分立元件的驱动电路有体积小，效率高，可靠性高的优
25、点。EXB840 是十六脚型封装块，各脚的功能如表 21 示。内部结构简图如图 21（a）所示。图 21（b）为其典型应用电路。表 21 EXB 系列各脚功能表脚号 功 能 说 明1 Vc 的地；与 IGBT 的发射极相接2 电源端，一般值为 20 伏3 驱动输出，经栅极电阻 Rg 与 IGBT 相连4 外接电容器，防止过电流保护环节误动作5 内设的过电流保护电路输出端6 经快速二极管连到 GIBT 集电极。监视集电极电平，作为过流信号之一。7，8 可不接9 电源地端10，11 可不接12，13，1614 驱动信号输入（）15 驱动信号输入（）五实验方法1IGBT 主要参数测试（1）开启阀值电
26、压 VGS（th） 测试图2- （ a） EXB840驱 动 器 内 部 结 构 图 和 （ b） EXB840典 型 应 用 图（ ）1AMP9P31过 流 保 护 电 路54210V9（ ）32EXB840OV1562RGIBT15在主回路的“1”端与 IGBT 的“18”端之间串入毫安表，将主回路的“3”与“4”端分别与 IGBT 管的“14”与“ 17”端相连，再在“14”与 “17”端间接入电压表，并将主回路电位器 RP 左旋到底。将电位器 RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视毫安表，当漏极电流 ID=1mA 时的栅源电压值即为开启阀值电压 VGS（ th） 。读取 67 组 ID、Vg
27、s，其中 ID=1mA 必测，填入表 41。表 41ID（ mA） 1Vgs（V）（2）跨导 gFS 测试在主回路的“2”端与 IGBT 的“18”端串入毫安表，将 RP 左旋到底，其余接线同上。将 RP 逐渐向右旋转，读取 ID 与对应的 VGS 值，测量 5-6 组数据，填入表 42。表 42ID（ mA） 1Vgs（V）（3）导通电阻 RDS 测试将电压表接入“18”与“17”两端，其余同上，从小到大改变 VGS，读取 ID 与对应的漏源电压 VDS，测量 5-6 组数据，填入表 43。表 43ID（ mA） 1VDS（V）2EXB840 性能测试（1）输入输出延时时间测试IGBT 部分
28、的“1”与“13”分别与 PWM 波形发生部分的“1”与“2”相连，再将IGBT 部分的“10”与“13” 相连、用示波器观察输入“ 1”与“13”及 EXB840 输出“12”与“13”之间波形，记录开通与关断延时时间。ton= ，t off=（2）保护输出部分光耦延时时间测试将 IGBT 部分“10”与“13” 的连线断开，并将“6”与“7”相连。用示波器观察“8”与“13”及“4”与“13” 之间波形，记录延时时间。（3）过流慢速关断时间测试接线同上，用示波器观察“1”与“13”及“12”与“13”之间波形，记录慢速关断时间。16（4）关断时的负栅压测试接线同上，用示波器观察“12”与“
29、17”之间波形，记录关断时的负栅压值。（5）过流阀值电压测试PWM 波形发生部分的“1”与 IGBT 部分的“1”的相连，分别连接“2”与“3”，“4”与“5”，“6”与“7”，将主回路的“3”与“4”分别和“10”与“17”相连，即按照以下表格的说明连线。IGBT：17主回路：4IGBT：10主回路：3IGBT：4IGBT：5IGBT：6IGBT：7IGBT：2 IGBT：3IGBT：12IGBT：14RP 左旋到底，用示波器观察“12”与“17”之间波形，将 RP 逐渐向右旋转，边旋转边监视波形，一旦该波形消失时即停止旋转，测出主回路“3”与“4”之间电压值，该值即为过流保护阀值电压值。3
30、开关特性测试（1）电阻负载时开关特性测试将“1”与“13”分别与波形发生器“1”与“2”相连，“4”与“5”，“6”与“7”，2“与”3“，“12”与“14”，“10”与“18”， “17”与“16”相连，主回路的“1”与“4”分别和 IGBT 部分的 “18”与“15”相连。即按照以下表格的说明连线。IGBT：1PWM：1IGBT：13PWM：2IGBT：4IGBT：5IGBT：6IGBT：7IGBT：2 IGBT：3IGBT：12IGBT：14IGBT：17IGBT：16IGBT：10IGBT：18IGBT：15主回路：4IGBT：18主回路：1用示波器分别观察“8”与“15”及“14”与
31、“15”的波形，记录开通延迟时间。（2）电阻，电感负载时开关特性测试将主回路“1”与“18”的连线断开，再将主回路“2”与“18”相连，用示波器分别观察“8”与“15”及“16”与“15”的波形，记录开通延迟时间。（3）不同栅极电阻时开关特性测试将“12”与“14”的连线断开，再将“11”与“14”相连，栅极电阻从 R53k 改为 R4=27，其余接线与测试方法同上。4并联缓冲电路作用测试（1）电阻负载，有与没有缓冲电路时观察“14”与“17”及“18”与“17”之间波形。（2）电阻，电感负载，有与没有缓冲电路时，观察波形同上。5过流保护性能测试，栅计电阻用 R4在上述接线基础上，将“4”与“
32、5”，“6”与“7”相连，观察“14”与“17”之间17波形，然后将“10”与“18”之间连线断开，并观察驱动波形是否消失，过流指示灯是否发亮，待故障消除后，揿复位按钮即可继续进行试验。图 41 IGBT 实验电路 六实验报告1根据所测数据，绘出 IGBT 的主要参数的表格与曲线 。2绘出输入、输出及对光耦延时以及慢速关断等波形，并标出延时与慢速关断时间。3绘出所测的负栅压值与过流阀值电压值。4绘出电阻负载，电阻电感负载以及不同栅极电阻时的开关波形，并在图上标出 tON 与 tOFF。5绘出电阻负载与电阻、电感负载有与没有并联缓冲电路时的开关波形，并说明并联缓冲电路的作用。6过流保护性能测试结果，并对该过流保护电路作出评价。7实验的收获、体会与改进意见。七思考题试对由 EXB840 构成的驱动电路的优缺点作出评价。R1S22C21 3+5VR1 SR2P657834WM3&R31432VD1L19+5VS1+13R5221&IGBT+5VR214S42667EXB801359C10VD4RP32C26V+S170VD+18V9R
